高可用架构设计

设计高可用的软件架构，是每个互联网软件开发工程师的追求。尤其对于在线交易系统、在线广告系统而言，服务的可用性会直接影响商业变现。随着互联网技术在工业界的广泛使用，各大互联网公司在各自的业务领域内，沉淀了成熟的高可用架构方案。那么究竟什么是高可用？高可用架构该如何设计呢？

度量

首先需要了解下什么是可用性以及如何度量可用性。对于一个交互式IT产品，是否可用是看用户能否用该产品完成他的任务。可用性就是在某个考察时间内，系统能够正常运行的概率或时间占有率的期望值。对于可用性等级，业内一般用n个9来描述，如下所示。

服务处于不可用状态的时间称为故障时间。可用性每提高一个等级，故障时间就要降一个数量级。从天到时到分，相对来说比较容易实现。再往后每提高一个等级，将付出成百上千倍的努力。大型网站服务通常至少做个4个9，做到5个9及以上就比较困难了。不仅要解决技术挑战，还要面对极大的成本压力。对于网站核心服务，会尽可能做到5个9，而非核心服务4个9，甚至3个9也可以接受。做技术决策时必须考虑经济账。

方法

那如何做到高可用呢？方法很简单：冗余。通俗讲，就是双保险机制。背后的理论基础是概率论。假设某个服务的可用性是99%（故障率1%），那么两个服务的可用性就是1-0.01*0.01=99.99%。可以看到，冗余对可用性的提升是指数级的。再冗余一个服务，可用性就达到6个9了。哇！提高可用性等级似乎好简单啊！？

限制

真这么简单吗？当然不是。别忘了CAP定理！

CAP是Consistency（一致性）、Availability（可用性）、Partition-tolerance（分区容错性）三个词的首字母缩写。CAP定理是加州大学的计算机科学家 Eric Brewer 提出的：CAP三者不可兼得，提高其中任意两者的同时，必然要牺牲第三者。（延伸阅读《分布式系统缘起及理论》）

用冗余提升可用性，本质上是在追求AP。冗余越多，解决C的成本就越高。其中最大的成本是时间成本，时间成本是技术上不可接受的。程序员提起高可用系统，经常会再加一个词『高并发』。高并发就体现了技术对时间的追求。正是这些不可兼得的矛盾，才让架构师们在面对不同业务场景时，需要做不同的技术取舍。

设计

冗余的架构设计有三种模式：双主（Master & Master）、主备（Master & Co-Master）和主从（Master & Slave）。

双主模式中，两台服务是平等关系，同时对外提供读写服务，客户端任选一台即可。双主模式是可用性最好的，但是这种架构的一致性处理比较困难，需要两台服务进行双向数据同步。一旦它们之间的通信断开，就形成了网络分区，这种分区会带来脑裂（brain-split）问题，并且系统对此无解，必须人工介入。所以在架构设计时极少选择双主模式。

主备模式中，两台服务不再是平等关系。主服务承担所有的读写请求，备服务只有在主服务不可用时才取而代之。主备服务之间虽然也存在两个方向的数据同步，但跟双主模式不同，它们不会同时发生。正常情况下只存在主向备同步数据。主不可用的时间段内，数据会写到备服务。当主恢复后，才需要由备向主同步数据。在此期间，会双写数据到主备节点，防止主同时再向备同步数据。主备架构比较容易实现，缺点是备服务在绝大部分时间是一种资源浪费。一般数据库系统在部署时会考虑主备架构。

主从模式其实不是主要解决高可用问题的，更多的是为了实现读写分离，来解决高并发问题。实际场景中通常不是一主一从，而是一主多从架构，因为大部分应用都是的读多写少。主节点处理写请求，从节点处理读请求。由于存在多从，读服务的可用性远高于写服务。另外，写服务会存在单点故障。这个问题可以通过集群动态选主来解决：当主节点不可用时，集群自动选出一台新的主节点。基于zookeeper，动态选主很容易实现（延伸阅读《Zookeeper理论&应用&实操》）。不过动态选主在MySQL集群架构中不会使用，原因是主从同步数据必须在部署时配置好，切换了主节点还是需要运维人工介入修改配置并重启服务。

案例

上面是抽象的架构设计，实际场景的架构要更复杂，会组合使用主备和主从架构。下图是国内某互联网公司MySQL集群的简化版架构方案。

DBProxy位于应用与数据库之间，屏蔽底层数据库架构对应用造成的影响，为应用提供透明的高性能代理服务。DBProxy中会实现读写分离、失败重连、负载均衡、安全认证、连接池、表路由、表Hash等功能。

多个MySQL集群是为了实现分库。不同集群的数据是不同的，dbproxy会根据路由规则，找到存储在不同分库上的表。

单个MySQL集群中组合使用了主备和主从架构。使用主备是为了解决前面提到的写数据单点故障问题。正常情况下，写主读从，主同时向备从节点同步数据。当主不可用时，读写请求全部落在备节点上，备节点没有从节点。当主恢复后，备向主同步数据，在此期间，主备会双写数据。同步完数据后，再恢复到正常模式。为避免主备在双写数据生成相同的自增ID，会让主备ID增长步长设为2，主库奇数增长（1,3,5,7,...），备库偶数增长（2,4,6,8,...）。